DE3650192T3 - Device for determining speeds using ultrasound Doppler echography inside a moving fluid - Google Patents

Device for determining speeds using ultrasound Doppler echography inside a moving fluid

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Abstract

A measure window (29-30, FIG. 2d) is provided in a Doppler velocity profile (FIG. 2c) by deleting an initial section (T1) and a terminal section (T2) of each emission cycle of a train of ultrasound of a period T so as to conserve only the section (To) which it is desirable to study. The conserved section (To) is thereafter segmented into a certain number (N) of measure channels. The advantage of restricting the zone divided into channels to the part which is really useful is that the definition of the profile which is obtained is improved, even when the emitter-receptor of ultrasound is located at a relatively important distance in comparison with the depth of the zone which is studied.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der lokalen Geschwindigkeiten im Inneren eines ausgewählten Gebiets einer in Bewegung befindlichen Fluidmasse mit Festteilchen durch Doppler-Ultraschall-Echoaufzeichnung, die zu dem Typ gehört, der zumindest einen Umformer enthält, der während einer Mehrzahl von Zyklen angeregt wird, durch dieses Fluid entlang einer akustischen Achse in aufeinanderfolgenden Zyklen der Periode T periodische Ultraschallwellenzüge auszusenden und das Echo der von den benannten Teilchen entlang dieser Achse zurückgeworfenen Wellenzüge aufzufangen, und der weiterhin Mittel aufweist, um die Geschwindigkeit des Fluids zu messen, sowie zumindest einen Schaltkreis, um die Kurve der Geschwindigkeiten des durch die Geschwindigkeit der Teilchen hervorgerufenen Dopplereffekts, die für die Geschwindigkeit des Fluids repräsentativ ist, in Abhängigkeit von der Entfernung entlang dieser Achse auf dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre anzuzeigen, wobei die Vorrichtung einen Generator für ein Messfenster gegebener Lage, Länge und Kanalanzahl enthält, der Verzögerungsmittel zur Definition der benannten Lage des Fensters aufweist, die aus einem Verzögerungskreis bestehen, der so ausgelegt ist, dass in jedem der Zyklen zumindest während einer anfänglichen Zeitdauer T1, die dem Beginn des ansteigenden Abschnitts der Geschwindigkeitskurve vorausgeht, die Übertragung zumindest vom Umformer zur Kathodenstrahlröhre des Bildschirms so abgeschnitten wird, dass der Beginn des Messfensters durch die benannte anfängliche Zeitdauer T1 bestimmt wird, wobei der Fenstergenerator ausserdem einen Oszillator mit regelbarer Frequenz enthält, um periodisch Pulse einer vorbestimmten Zeitdauer τ zu liefern, die der Zeitauflösung eines in dem benannten Fenster enthaltenen Messkanals entspricht, sowie Mittel, um die Frequenz dieses Oszillators einzustellen, wobei die benannten Mittel zur Messung der Fluidgeschwindigkeit so eingerichtet sind, dass die Geschwindigkeit für jeden der im Messfenster enthaltenen Messkanäle bestimmt wird.The present invention relates to a device for determining the local velocities inside a selected region of a fluid mass in motion containing solid particles by Doppler ultrasonic echo recording, of the type comprising at least one transducer excited during a plurality of cycles to emit periodic ultrasonic wave trains through said fluid along an acoustic axis in successive cycles of period T and to capture the echo of the wave trains reflected by said particles along said axis, and further comprising means for measuring the velocity of the fluid and at least one circuit for displaying on the screen of a cathode ray tube the curve of the velocities of the Doppler effect caused by the velocity of the particles, representative of the velocity of the fluid, as a function of the distance along said axis, the device comprising a generator for a measurement window of given position, length and number of channels, delay means for defining said position of the window, consisting of a delay circuit designed so that in each of the cycles, at least during an initial time period T1 preceding the start of the rising portion of the velocity curve, the transmission at least from the converter to the cathode ray tube of the screen is cut off so that the start of the measurement window is determined by said initial time period T1, the window generator further comprising an oscillator with adjustable frequency for periodically delivering pulses of a predetermined time period τ corresponding to the time resolution of a measurement channel contained in said window, and means for adjusting the frequency of this oscillator, said means for measuring the fluid velocity being arranged so that the velocity is determined for each of the measurement channels contained in the measurement window.

Eine Vorrichtung dieses Typs ist bekannt aus der Beschreibung in der Dissertationsschrift Nr. 5746 der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (1976), die von P.-E. Doriot vorgelegt wurde und den Titel "Blutflussmessung mit Hilfe eines mehrkanaligen Ultraschall-Doppler-Gerätes" trägt. Dieses Gerät umfasst eine Steuereinheit, die die Aussendung der Ultraschallwellenzüge steuert und sequentiell die n Messkanäle des Geräts öffnet und schliesst. Die Verzögerung und die Länge eines Beobachtungsintervalls werden auf dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre dargestellt. In diesem Gerät legt man zuerst das Öffnen und Schliessen, also die Länge des Messfensters, durch visuelle oder akustische Mittel fest. Nach Ablauf der Verzögerungszeit schaltet der elektronische Schaltkreis dieses Geräts einen digitalen Oszillator ein, dessen Taktfrequenz durch die Länge des Fensters G bestimmt wird. Die in diesem Oszillator erzeugten Pulse dienen dazu, das Fenster G in 15 Inter walle der Zeitdauer g = G/15 zu unterteilen. Diese Intervalle werden sequentiell geöffnet und geschlossen. Die Länge des Fensters ist daher ein passiver Parameter, der durch die Plazierung des ersten und letzten Kanals mittels visueller und/oder akustischer Beobachtung entsteht.A device of this type is known from the description in the dissertation No. 5746 of the Swiss Federal Institute of Technology in Zurich (1976), which was submitted by P.-E. Doriot and entitled "Blood flow measurement using of a multi-channel ultrasound Doppler device". This device includes a control unit which controls the emission of the ultrasound wave trains and sequentially opens and closes the n measuring channels of the device. The delay and the length of an observation interval are displayed on the screen of a cathode ray tube. In this device, the opening and closing, i.e. the length of the measurement window, are first determined by visual or acoustic means. After the delay time has elapsed, the electronic circuit of this device switches on a digital oscillator whose clock frequency is determined by the length of the window G. The pulses generated in this oscillator serve to divide the window G into 15 intervals of time g = G/15. These intervals are opened and closed sequentially. The length of the window is therefore a passive parameter which is determined by the placement of the first and last channels by means of visual and/or acoustic observation.

Wir führen noch das Dokument: Traité d'Electricité de l'EPFL (Elektrizitätslehre der ETH Lausanne), Band 5, Analyse et synthèse des systèmes logiques (Analyse und Synthese logischer Systeme), von Daniel Mange an. Dieses Dokument beschreibt die Verwendung von FLIP-FLOP- und AND-Elementen in quasisynchronen sequentiellen Systemschaltkreisen.We also cite the document: Traité d'Electricité de l'EPFL (Electricity Science of the ETH Lausanne), Volume 5, Analyse et synthèse des systèmes logiques (Analysis and Synthesis of Logical Systems), by Daniel Mange. This document describes the use of FLIP-FLOP and AND elements in quasi-synchronous sequential system circuits.

Wir verweisen auch auf das Dokument: Logic Databook (Logik-Datenbuch), Band 1, der Firma National Semiconductor, das auf Seiten 3-22, 3-43 und 356 AND-, OR- und FLIP-FLOP-Elemente in Mikro-CMOS-Technologie beschreibt.We also refer to the document: Logic Databook, Volume 1, from National Semiconductor, which describes AND, OR and FLIP-FLOP elements in micro-CMOS technology on pages 3-22, 3-43 and 356.

In einem in IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Band SU-28, Nr. 4, Juli 1981, Seiten 242 bis 244, erschienenen Artikel beschreiben die Autoren, A. P. G. Hoeks, R. S. Reneman und P. A. Peronneau, gleichfalls ein Mehrkanal-Dopplergerät mit serieller Datenverarbeitung. In diesem Gerät muss, damit die beste Auflösung erhalten wird, die Weite eines Messkanals der Dauer der Ultraschallaussendung entsprechen. Ausserdem kann den Zeitpunkt, ab welchem die erste Messwertaufnahme erfolgt, in Inkrementen von 4/3 us gegenüber dem Zeitpunkt der Aussendung der Inkremente verzögert werden.In an article published in IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Volume SU-28, No. 4, July 1981, pages 242 to 244, the authors, A. P. G. Hoeks, R. S. Reneman and P. A. Peronneau, also describe a multi-channel Doppler device with serial data processing. In this device, in order to obtain the best resolution, the width of a measuring channel must correspond to the duration of the ultrasound transmission. In addition, the time at which the first measurement value is recorded can be delayed in increments of 4/3 us compared to the time at which the increments are transmitted.

In der Untersuchung von F. D. McLeod, die unter dem Titel "Multichannel pulse Doppler techniques" auf Seiten 86 bis 107 des Buches von R. S. Renneman, Cardiovascular Application of Ultrasonics, Proceedings of an International Symposium held at Beerse, May 29 and 30, 1913, North-Holland, Amsterdam 1974, veröffentlicht wurde, wird das allgemeine Prinzip eines Mehrkanal-Dopplerverfahrens für medizinische Anwendungen beschrieben, wobei die Beschränkungen der Methode hinsichtlich des Signal-Rausch-Verhältnisses, des Filterns, der Filtereichung, der Auswirkungen unbewegter Wände usw. betrachtet werden. Praktische Messungen werden nicht behandelt. Die Kanäle dieser Untersuchung sind nicht in Gruppen zusammengefasst, um ein Fenster zu bilden, das je nach den Erfordernissen des Fluidflusses in einem Raumbereich positioniert werden könnte.In the study by F. D. McLeod, published under the title "Multichannel pulse Doppler techniques" on pages 86 to 107 of the book by R. S. Renneman, Cardiovascular Application of Ultrasonics, Proceedings of an International Symposium held at Beerse, May 29 and 30, 1913, North-Holland, Amsterdam 1974, the general principle of a multichannel Doppler technique for medical applications is described, considering the limitations of the method in terms of signal-to-noise ratio, filtering, filter calibration, the effects of stationary walls, etc. Practical measurements are not covered. The channels in this study are not grouped together to form a window that could be positioned in a region of space according to the requirements of the fluid flow.

In der Patentschrift US 4 324 258 (Huebscher u. a.) wird eine Vorrichtung beschrieben, mit der die Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einem Gefäss fehlerfrei mit erhöhter Auflösung er halten werden kann. In dieser Vorrichtung wird kein Fenster in Betracht gezogen, das verschoben werden könnte, um die Geschwindigkeitsmessung auf den einen oder anderen, ausgewählten Bereich des Raumes, in dem die Flüssigkeit fliesst, zu beschränken.In the patent specification US 4 324 258 (Huebscher et al.) a device is described with which the flow velocity of a fluid in a vessel can be obtained without error with increased resolution. In this device no window is considered which could be moved in order to restrict the velocity measurement to one or another selected area of the space in which the liquid flows.

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, die vorgenannten Nachteile abzustellen und die bekannten Vorrichtungen zu verbessern, indem sie eine Vorrichtung schafft, die es gestattet, in bequemer und zuverlässiger Weise sehr veränderliche Beobachtungsgebiete mit optimaler Auflösung zu untersuchen, dabei aber mit einer einfachen und bei einer sehr geringen Zahl von Bauteilen zuverlässigen Elektronik auskommt und daher geringe Gestehungskosten hat.The present invention aims to eliminate the above-mentioned disadvantages and to improve the known devices by creating a device that allows very variable observation areas to be examined with optimum resolution in a convenient and reliable manner, but at the same time uses simple and reliable electronics with a very small number of components and therefore has low production costs.

Deshalb ist die Erfindung durch die im einzigen Anspruch erscheinenden Merkmale gekennzeichnet.Therefore, the invention is characterized by the features appearing in the sole claim.

Durch diese Merkmale werden mehrere Möglichkeiten geschaffen, um aktiv das Ende des Messfensters zu bestimmen, und es wird eine hohe Flexibilität im Einsatz erreicht, dabei aber eine bequeme und schnelle Überwachung der Untersuchung gewährleistet und eine Untersuchungsausrüstung erhalten, die zuverlässig ist und geringe Gestehungskosten hat.These features provide multiple opportunities to actively determine the end of the measurement window and achieve high flexibility in use, while ensuring convenient and fast monitoring of the examination and obtaining examination equipment that is reliable and has low production costs.

Weitere Vorteile erhellen aus der Beschreibung, die die Erfindung nachstehend in grösseren Einzelheiten mit Hilfe von Zeichnungen vorstellt, die schematisch und beispielhaft eine Ausführungsform der Vorrichtung darstellen.Further advantages will become apparent from the description which presents the invention in greater detail below with the aid of drawings which schematically and by way of example illustrate an embodiment of the device.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm der Gesamtheit dieser Ausführungsform der Vorrichtung;Fig. 1 is a block diagram of the entirety of this embodiment of the device;

Fig. 2a bis 2e sind erklärende Diagramme;Fig. 2a to 2e are explanatory diagrams;

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm einer der Komponenten des Aufbaus nach Fig. 1;Fig. 3 is a block diagram of one of the components of the structure of Fig. 1;

Fig. 4a bis 4d sind erklärende Diagramme für die Wirkungsweise der Vorrichtung gemäss Fig. 1;Fig. 4a to 4d are explanatory diagrams for the operation of the device according to Fig. 1;

Fig. 5 veranschaulicht ein Verwendungsbeispiel der Vorrichtung gemäss Fig. 1;Fig. 5 illustrates an example of use of the device according to Fig. 1;

Fig. 6 zeigt das Diagramm der Geschwindigkeiten für den Fall der Fig. 5; undFig. 6 shows the diagram of the speeds for the case of Fig. 5; and

Fig. 7 zeigt schematisch die Verwendung einer Vorrichtung gemäss Fig. 1, um den Vektor der Geschwindigkeiten an verschiedenen Punkten einer Ebene in der in Bewegung befindlichen Fluidmasse zu ermitteln.Fig. 7 shows schematically the use of a device according to Fig. 1 to determine the vector of velocities at different points of a plane in the fluid mass in motion.

Die Fig. 1 stellt in der Form eines Blockdiagramms diese Ausführungsform der Vorrichtung dar. Man sieht bei 1 eine Flüssigkeit oder anderes Fluid, in der feste Teilchen schwimmen und die sich, wie es die Pfeile zeigen, in Bewegung befindet. Diese Flüssigkeit befindet sich im Inneren eines Behälters, von dem man bei 2 eine dicke Wand sieht. Bei 3 ist schematisch die Achse eines Umformers 4 dargestellt, der dazu dient, Ultraschallwellen zu erzeugen, die sich entlang der Achse 3 (und schräg zur Wand 2) fortpflanzen, und das Echo aufzufangen, d. h. die von den auf der Achse 3 befindlichen Teilchen reflektierten Wellen.Figure 1 shows this embodiment of the device in block diagram form. At 1 we see a liquid or other fluid in which solid particles are floating and which is in motion as shown by the arrows. This liquid is inside a container, of which a thick wall is visible at 2. At 3 we see schematically the axis of a transducer 4, which serves to generate ultrasonic waves propagated along axis 3 (and obliquely to wall 2) and to capture the echo, i.e. the waves reflected by the particles located on axis 3.

Ein Beispiel eines solchen Umformers wird in der folgenden Veröffentlichung beschrieben: The design of efficient broad-band piezoelectric transducers; Charles S. Desilets, John D. Fraser und Gordon S. Kino; IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Band SU-25, Nr. 3, Seiten 115 bis 125.An example of such a transducer is described in the following publication: The design of efficient broad-band piezoelectric transducers; Charles S. Desilets, John D. Fraser, and Gordon S. Kino; IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Volume SU-25, No. 3, pages 115 to 125.

Das Signal des vom Umformer 4 aufgefangenen Echos steuert eine Folge von bekannten Organen, die dazu dienen, auf dem Bildschirm 14 einer Kathodenstrahlröhre ein Bild zu liefern, das den durch Reflexion an den in Bewegung befindlichen Teilchen bedingten Dopplereffekt darstellt, wobei dieser Dopplereffekt dann durch eine Kurve dargestellt wird, die auch eine Darstellung der Geschwindigkeitskomponente der Flüssigkeit entlang der Achse 3 in Abhängigkeit von der Entfernung vom Umformer 4 entlang der Achse 3 ist. Gleichzeitig liefert die Vorrichtung in bekannter Weise in digitaler Form die Daten dieser Geschwindigkeitskurve an einen Computer 12, der seinerseits das Ergebnis seiner Verarbeitung dieser Daten über einen Ausgang 15 zur Verfügung stellt, und insbesondere die Absolutgeschwindigkeit der verschiedenen Flüssigkeitspartien, die entlang der Achse 3 gemessen wurde.The signal of the echo picked up by the transducer 4 controls a series of known devices designed to provide, on the screen 14 of a cathode ray tube, an image representing the Doppler effect due to reflection from the particles in motion, this Doppler effect then being represented by a curve which is also a representation of the velocity component of the fluid along the axis 3 as a function of the distance from the transducer 4 along the axis 3. At the same time, the device supplies, in a known manner, in digital form, the data of this velocity curve to a computer 12 which in turn provides the result of its processing of these data via an output 15, and in particular the absolute velocity of the various portions of fluid measured along the axis 3.

Die bekannten Mittel, die es gestatten, die Doppler-Ultraschall-Echoaufzeichnung zu realisieren, sind durch die Elemente 7, 8, 9, 10 und 11 dargestellt, die nur sehr gerafft zu beschreiben sein werden, da sie einem bekannten Verfahren angehören. Element 7 ist ein Dämpfungs-Korrekturglied, das dazu dient, die Dämpfung der Ultraschallwellen entlang ihres Hin- und Rückweges auf der Achse 3 auszugleichen. Der Dämpfungskoeffizient A wird mit den folgenden Formeln berechnet:The known means that make it possible to carry out Doppler ultrasound echo recording are represented by elements 7, 8, 9, 10 and 11, which can only be described very briefly since they belong to a known process. Element 7 is an attenuation correction element that serves to compensate for the attenuation of the ultrasound waves along their outward and return paths on axis 3. The attenuation coefficient A is calculated using the following formulas:

A(t) = a(t) · b(t)A(t) = a(t) · b(t)

a(t) = h · ta(t) = h · t

b(t) = k · exp (f · t).b(t) = k · exp (f · t).

In diesen Formeln ist t die Zeit, die jeder Position entlang der Achse 3 entspricht, h ist die entlang der Achse 3 durchlaufene Weglänge, f ist die Frequenz der Ultraschallschwingungen und k ist ein Faktor, der von der Natur der Flüssigkeit abhängt.In these formulas, t is the time corresponding to each position along axis 3, h is the path length traversed along axis 3, f is the frequency of the ultrasonic vibrations and k is a factor that depends on the nature of the fluid.

Element 8 ist ein klassischer Demodulator, 9 ist ein Analog-Digital-Wandler, und 10 ist ein Digitalfilter, das dazu dient, parasitische Frequenzkomponenten auszuschalten, die entweder von bestimmten unerwünschten Rauschquellen herrühren oder aber im Gefolge einer Bewegung des Gefässes oder der Leitung, in der sich die Flüssigkeit befindet, entstehen. Ein Beispiel für ein solches Filter findet sich in der folgenden Veröffentlichung: H. Urkoiwitz: Analysis and synthesis of delay line periodic filters, IRE Trans. Circuit Theory, Band CT-4, Seite 41, 1957. Element 11 ist ein Dopplerverschiebungsdetektor, wie er in klassischer Weise in der Doppler- Ultraschall-Echoaufzeichung verwendet wird. Element 12 ist ein Computer.Element 8 is a classical demodulator, 9 is an analog-digital converter, and 10 is a digital filter designed to eliminate parasitic frequency components that either originate from certain undesirable noise sources or are caused by movement of the vessel or the pipe in which the liquid is located. An example of such a filter can be found in the following publication: H. Urkoiwitz: Analysis and synthesis of delay line periodic filters, IRE Trans. Circuit Theory, volume CT-4, page 41, 1957. Element 11 is a Doppler shift detector, as used classically in Doppler ultrasound echo recording. Element 12 is a computer.

Die dargestellte Vorrichtung umfasst ferner einen Sender 5, der dem Umformer 4 elektrische Schwingungen der Frequenz f übermittelt, die dieser in Ultraschallwellen umwandelt. Dieser Sender liefert diese Schwingungen gleichzeitig an eine Vorrichtung 6, die in der Fig. 3 im einzelnen dargestellt ist.The device shown further comprises a transmitter 5 which transmits electrical oscillations of frequency f to the converter 4, which converts them into ultrasonic waves. This transmitter simultaneously delivers these oscillations to a device 6, which is shown in detail in Fig. 3.

Diese Vorrichtung 6 umfasst ein Verzögerungsorgan 20, das abstimmbar ist und dazu dient, den Durchgang von bei 16 bei ihm eintreffenden Pulsen um eine ausgewählte Anzahl zu verzögern, indem eine bestimmte Anzahl der bei ihm zuerst eintreffenden Schwingungen unterdrückt wird. Ein gleichfalls abstimmbar er Oszillator 22 dient dazu, periodisch Zeitintervalle τ zu liefern. Element 23 ist ein Zähler der ihm vom Oszillator 22 zugegangenen Pulse, wobei diese Zahl die Zahl der Beobachtungskanäle für den Dopplereffekt ist, mit der man zu arbeiten wünscht. Dieser Zähler 23 wird durch die Verzögerungsvorrichtung 20 in der Weise gesteuert, dass er die gewünschte (entsprechend der Stellung seines Abstimmorgans 26 gewählte) Zahl von Pulsen erst mit der von 20 erzeugten Verzögerung zu zählen beginnt. Diese Vorrichtung 6 umfasst ausserdem einen Flipflop 21, ein OR Gate (eine Oder-Schaltung) 24 und ein AND Gate (Und-Gatter) 25. Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung wird weiter unten erklärt werden.This device 6 comprises a delay element 20 which is tunable and serves to delay the passage of pulses arriving at 16 by a selected number by suppressing a certain number of the oscillations arriving at it first. An oscillator 22, also tunable, serves to periodically supply time intervals τ. Element 23 is a counter of the pulses received by oscillator 22, this number being the number of observation channels for the Doppler effect with which it is desired to work. This counter 23 is controlled by the delay device 20 in such a way that it only starts counting the desired number of pulses (selected according to the position of its tuning element 26) at the delay produced by 20. This device 6 further comprises a flip-flop 21, an OR gate 24 and an AND gate 25. The operation of this device will be explained below.

Wenn die Flüssigkeit, wie es in bestimmten industriellen Anwendungen vorkommt, eine hohe Temperatur hat oder sich im Inneren eines Behälters befindet, dessen Wand im Verhältnis zu der Schicht der zu untersuchenden Flüssigkeit sehr dick ist, stellt dies ein Problem dar, weil sich in beiden Fällen der Umformer 4 in einer Entfernung von der Flüssigkeit befindet, die im Verhältnis zu der zu studierenden Flüssigkeitsschicht beträchtlich ist, was sich bei der Doppleranalyse ungünstig auf die Auflösung auswirkt. Wenn die Flüssigkeit eine hohe Temperatur hat und die Wand verhältnismässig dünn ist, muss nämlich ein thermisch isolierender Abstand zwischen der Wand 2 und dem Umformer 4 vorgesehen werden.When the liquid, as occurs in certain industrial applications, is at a high temperature or is inside a container whose wall is very thick in relation to the layer of liquid to be studied, this presents a problem because in both cases the transducer 4 is located at a distance from the liquid which is very large in relation to the layer of liquid to be studied. liquid layer is considerable, which has an adverse effect on the resolution in Doppler analysis. If the liquid has a high temperature and the wall is relatively thin, a thermally insulating distance must be provided between the wall 2 and the transducer 4.

Die Fig. 2 zeigen schematisch, was sich in akustischer Hinsicht in der Vorrichtung nach Fig. 1 und 3 abspielt. Man sieht in der Fig. 2a einen vom Umformer 4 ausgesendeten Zug 27 von Ultraschall-Sinuswellen sowie, bei 28, den vom selben Umformer ausgesendeten nächsten Wellenzug. Hier ist F die Folgefrequenz der Wellenzüge, T ist das Folgeintervall. In der Fig. 2b sieht man die vom Umformer 4 zurückerhaltenen Wellenzüge; bei 27a befindet sich ein erster Wellenzug, der 27 entspricht, bei 28a befindet sich der 28 entsprechende Wellenzug. Diese Wellenzüge sind auf Grund von inneren Reflexionen im Inneren des Umformers etwas länger als für 27 und 28 gezeigt.Fig. 2 shows schematically what happens acoustically in the device according to Fig. 1 and 3. In Fig. 2a, one can see a train 27 of ultrasonic sine waves emitted by the converter 4 and, at 28, the next wave train emitted by the same converter. Here, F is the repetition frequency of the wave trains, T is the repetition interval. In Fig. 2b, one can see the wave trains received back by the converter 4; at 27a there is a first wave train corresponding to 27, at 28a there is the wave train corresponding to 28. These wave trains are slightly longer than shown for 27 and 28 due to internal reflections inside the converter.

Die Fig. 2c zeigt das Beispiel eines Kurvenbildes der axialen Geschwindigkeitskomponenten entlang der Achse 3, wie es auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre 14 erscheint. Das horizontale Teilstück T&sub1; zur Linken ist der Zeitraum, der einer Geschwindigkeit Null der Flüssigkeit entspricht und sich vom Beginn von T bis zu dem Zeitpunkt erstreckt, wenn die Ultraschallwellen die Flüssigkeit erreichen. Die ansteigende, dann abfallende Kurve, die diesem ersten horizontalen Teilstück einer Dauer T&sub1; folgt, stellt die Kurve der Geschwindigkeiten entlang dem Teilstück der Achse 3 dar, das die Flüssigkeit durchquert. Sie hat eine Dauer T&sub0;. Ein abschliessendes horizontales Teilstück der Dauer T&sub2; entspricht der Zeitdifferenz zwischen der Dauer T und der Zeit, die zwischen dem Aussenden des Wellenzuges und dem Augenblick vergeht, da dieser das Ende der Flüssigkeitsregion erreicht. Würde die Periode T, wie es üblich ist, in eine bestimmte Zahl von Messkanälen unter teilt, so hätte man wegen der grossen Entfernung zwischen dem Umformer und dem Ende der untersuchten Region eine verhältnismässig schwache Auflösung. Da man bei der Zahl der Kanäle begrenzt ist, wäre man gezwungen, diese Einschränkung hinzunehmen. Die Vorrichtung 6 hat hauptsächlich den Zweck, die Unterteilung in eine bestimmte Anzahl von Kanälen nur auf den interessanten Teil des Diagramms zu erstrecken, also auf die ansteigende, dann abfallende Kurve. Dies wird auf die folgende Weise verwirklicht. Man beobachtet die Kurve (Fig. 2c) auf dem Bild schirm der Kathodenstrahlröhre 14 und veranlasst die Vorrichtung 20, eine Verzögerung in die Übertragung der vom Umformer 5 (über 16) aufgefangenen Pulse einzuführen, die so lange vergrössert wird, bis man den Beginn des ansteigenden Teilstücks der Kurve in Fig. 2c erreicht. Diese Verzögerung ist T&sub1; (Fig. 2c).Figure 2c shows an example of a graph of the axial velocity components along axis 3 as it appears on the screen of the cathode ray tube 14. The horizontal segment T₁ on the left is the period of time corresponding to zero velocity of the liquid and extending from the beginning of T to the moment when the ultrasonic waves reach the liquid. The rising then falling curve following this first horizontal segment of duration T₁ represents the curve of the velocities along the portion of axis 3 traversing the liquid. It has a duration T₀. A final horizontal segment of duration T₂ corresponds to the time difference between duration T and the time elapsed between the emission of the wave train and the moment when it reaches the end of the liquid region. If the period T were divided into a certain number of measuring channels, as is usual, the resolution would be relatively poor due to the large distance between the transducer and the end of the region under investigation. Since the number of channels is limited, this limitation would have to be accepted. The device 6 has the main purpose of extending the division into a certain number of channels only to the interesting part of the diagram, that is to say to the rising and then falling curve. This is achieved in the following way. The curve (Fig. 2c) is observed in the image screen of the cathode ray tube 14 and causes the device 20 to introduce a delay in the transmission of the pulses picked up by the converter 5 (via 16) which is increased until the beginning of the rising part of the curve in Fig. 2c is reached. This delay is T₁ (Fig. 2c).

Um andererseits den störenden Einfluss des nicht interessierenden Teilstücks zu beseitigen, das auf den Punkt folgt, wo das abschliessende Teilstück dieser Kurve zu Null zurückkehrt, stimmt man den Oszillator 22 so ab, dass er Pulse der Dauer τ liefert, und stellt den Pulszähler 23 auf den Wert von N ein, bei dem das Produkt N · τ eine Zeit T&sub0; ergibt (Fig. 2c), die entweder genau dem abschliessenden Teilstück der Kurve nach Fig. 2c oder aber einem Zeitabschnitt entspricht, der diesem abschliessenden Teilstück so nahe wie möglich kommt. Nehmen wir an, dass das erreicht ist; dann lässt der Flipflop 21 (nach der Verzögerungszeit T&sub1;) die vom Umformer 5 kommenden Pulse passieren. Ebenfalls an diesem Zeitpunkt beginnt der Zähler 23 zu zählen, und es ist dies, wie wir gesehen haben, der Zeitpunkt, an dem die Kurve nach Fig. 2c ihr ansteigendes Teilstück beginnt. Wenn die Kurve nach Fig. 2c in ihrem abschliessenden Teilstück bei Null angekommen ist, hat der Zähler 23 die gewählte Zahl von Pulsen der Dauer τ gezählt und wird nunmehr über seinen Ausgang 26 und das OR Gate (die Oder-Schaltung) 24 den Flipflop 21 veranlassen, in die Stellung OFF (Aus-Stellung) zu schalten, wo er den Durchgang der ihm von 20 zugehenden Pulse unterbricht. Wenn es nicht gelungen ist, ein Produkt τ · N zu finden, das das Ende der Pulszählung vor das Ende der Periode T (Fig. 2a) legt, passiert folgendes: Der über 16 ankommende Beginn des auf den Wellenzug 28 folgenden Wellenzuges erreicht das OR Gate (die Oder-Schaltung) 24, bevor die Zählung in 23 beendet ist, so dass nunmehr dieser Anfangspuls des Ultraschallwellenzuges den Flipflop veranlasst, in die Stellung OFF (Aus-Stellung) zu schalten und den Durchgang der von 20 kommenden Pulse zu unter brechen. In diesem Falle ist der abschliessende Teil der Zählung ohne Wirkung, weil er über die Periode T hinausgeht.On the other hand, in order to eliminate the disturbing influence of the irrelevant portion following the point where the final portion of this curve returns to zero, the oscillator 22 is tuned to deliver pulses of duration τ and the pulse counter 23 is set to the value of N for which the product N · τ gives a time T₀ (Fig. 2c) which corresponds either exactly to the final portion of the curve of Fig. 2c or to a time period as close as possible to this final portion. Let us assume that this is achieved; then the flip-flop 21 (after the delay time T₁) lets pass the pulses coming from the converter 5. Also at this time, the counter 23 starts counting and, as we have seen, this is the time at which the curve of Fig. 2c begins its rising portion. When the curve according to Fig. 2c has reached zero in its final section, the counter 23 has counted the selected number of pulses of duration τ and will now, via its output 26 and the OR gate 24, cause the flip-flop 21 to switch to the OFF position, where it interrupts the passage of the pulses coming to it from 20. If it has not succeeded in obtaining a product τ · N that places the end of the pulse count before the end of the period T (Fig. 2a), the following happens: The beginning of the wave train following the wave train 28, arriving via 16, reaches the OR gate 24 before the counting in 23 is finished, so that now this initial pulse of the ultrasonic wave train causes the flip-flop to switch to the OFF position and interrupt the passage of the pulses coming from 20. In this case, the final part of the count is ineffective because it goes beyond the period T.

Die Fig. 2d zeigt schematisch die Wirkungsweise des Flipflops 21, wo bei 29 der Zeitpunkt ersichtlich ist, an dem er den Durchgang freigibt, und bei 30 der Zeitpunkt, an dem er ihn sperrt. Das Zeitintervall T&sub0; zwischen diesen beiden Zeitpunkten stellt ein Messfenster dar. Die Berechnung der Geschwindigkeit erfolgt in den gewählten N Kanälen während dieser Zeit T&sub0;. In der Praxis wird die Zahl N so hoch wie möglich gewählt. Es ist nämlich die Zahl N der Messkanäle, die den Auflösungsgrad bestimmt.Fig. 2d shows schematically the operation of the flip-flop 21, where the time at which it opens the passage is shown at 29 and the time at which it closes it at 30. The time interval T₀ between these two times represents a measurement window. The speed is calculated in the selected N channels during this time T₀. In practice, the number N is chosen to be as high as possible. It is the number N of measurement channels that determines the degree of resolution.

Die Vorrichtung 11 liefert an ihrem Ausgang in digitaler Form für jeden dieser Messkanäle den Wert der Geschwindigkeitskomponente entlang der Achse 3, der einerseits für eine Digital-Analog-Wandlung zur Vorrichtung 13 gelangt, von wo aus die Daten wiederum an die Kathodenstrahlröhre 14 übermittelt wer den. Andererseits werden die von der Vorrichtung 11 gelieferten Daten in digitaler Form an den Computer 12 geschickt, um dort verarbeitet zu werden und insbesondere die Absolutgeschwindigkeit an den Messpunkten entlang der akustischen Achse 3 zu berechnen. Ein Beispiel für eine solche Vorrichtung wird in der Patentschrift US 3 514 747 und in der folgenden Veröffentlichung beschrieben: Accuracy and limitations of the ultrasonic Doppler blood velocimeter und zero crossing detector; M. J. Lunt; Ultrasound in Medicine and Biology, Band 2, 1975, Seiten 1 bis 10.The device 11 supplies at its output in digital form for each of these measurement channels the value of the velocity component along the axis 3, which is firstly sent to the device 13 for digital-to-analog conversion, from where the data is in turn transmitted to the cathode ray tube 14. Secondly, the data supplied by the device 11 are sent in digital form to the computer 12 to be processed there and in particular to calculate the absolute velocity at the measurement points along the acoustic axis 3. An example of such a device is described in the patent US 3,514,747 and in the following publication: Accuracy and limitations of the ultrasonic Doppler blood velocimeter and zero crossing detector; M. J. Lunt; Ultrasound in Medicine and Biology, volume 2, 1975, pages 1 to 10.

Dank des Fensters 29, 30 erscheint auf dem Bildschirm der Röhre 14 einzig die Kurve des Dopplereffekts bzw. der Geschwindigkeitskomponenten entlang der Achse 3 während der Zeit T&sub0;, während die Teilstücke mit der Dauer T&sub1; und T&sub2;, die der Wegstrecke der Ultraschallwellen ausserhalb der Flüssigkeit entsprechen, ausgeschaltet sind.Thanks to the window 29, 30, only the curve of the Doppler effect or of the velocity components along the axis 3 appears on the screen of the tube 14 during the time T₀, while the sections with the duration T₁ and T₂, which correspond to the path of the ultrasonic waves outside the liquid, are switched off.

Man sieht, dass somit die beschriebene Vorrichtung es gestattet, die Messkanäle auf das nützliche Teilstück der Dopplerkurve zusammenzudrängen und vollständig zu ignorieren, was sich auf der Wegstrecke der Ultraschallwellen ausserhalb der interessierenden Flüssigkeitsregion abspielt, so dass die maximale Auflösung erreicht wird. Diese Flüssigkeitsregion ist übrigens nicht notwendigerweise durch die Gefässwand begrenzt; sie kann enger begrenzt sein und sich auf ein bestimmtes Flüssigkeitsgebiet beschränken, worin man ein mit der Geschwindigkeitsverteilung verbundenes Phänomen genau zu untersuchen wünscht. Dafür genügt es, den Anfang 29 und das Ende 30 des Fensters auf das dieser Zone entsprechende Teilstück der Geschwindigkeitskurve einzustellen.It can be seen that the device described thus makes it possible to concentrate the measuring channels on the useful part of the Doppler curve and to completely ignore what takes place on the path of the ultrasound waves outside the liquid region of interest, thus achieving maximum resolution. This liquid region is not necessarily limited by the vessel wall; it can be more narrowly limited and restricted to a specific liquid region in which it is desired to study in detail a phenomenon related to the velocity distribution. To do this, it is sufficient to set the start 29 and the end 30 of the window to the part of the velocity curve corresponding to this zone.

Die Fig. 4 zeigen schematisch, was praktisch nach der Wahl der Zahl N passiert. Es wird in diesen Beispielen angenommen, dass (Fig. 4a) Flüssigkeit 31 in einer Leitung 32 fliesst und ein Geschwindigkeitsprofil gemäss der Kurve 33 vorliegt, wie es mit der soeben beschriebenen Methode durch den Umformer 34 festgestellt werden konnte. Die Fig. 4b, 4c und 4d entsprechen Beispielen für Dopplerprofile mit verschiedenen Kombinationen von τ- und N-Werten.Fig. 4 shows schematically what happens in practice after the number N has been chosen. In these examples it is assumed that (Fig. 4a) liquid 31 flows in a pipe 32 and a velocity profile according to the curve 33 is present, as it could be determined by the converter 34 using the method just described. Figs. 4b, 4c and 4d correspond to examples of Doppler profiles with different combinations of τ and N values.

Das Messfenster ist wie durch Tb in Fig. 4b angedeutet gewählt worden.The measurement window was chosen as indicated by Tb in Fig. 4b.

Am Anfang wird beispielsweise N = 16 gewählt, was uns ein Geschwindigkeitsdiagramm gemäss Fig. 4b gibt, das hinlänglich genau in das Messfenster T&sub0; passt, da 12 Kanäle auf den Zeitraum T&sub0; entfallen und vier Kanäle, die danach kämen, durch den Anfangspuls des folgenden Ultraschallwellenzuges unterdrückt werden, wie wir weiter oben gesehen haben. Wäre N = 8 gewählt worden, so wäre das Geschwindigkeitsdiagramm auf der rechten Seite beschnitten und die Kurve nach dem achten Kanal unterbrochen worden, wie in Fig. 4c dargestellt, wo τ denselben Wert wie im Falle der Fig. 4b hat. Wäre andererseits N = 8 und der Wert von τ' grösser als τ gewählt worden, so hätte man ein Diagramm, wie es in Fig. 4d dargestellt ist, wo die Auflösung weniger hoch ist und zwei Kanäle ausgeschlossen sind, weil sie später kommen als das Ende von Td. So gibt es also drei Möglichkeiten, um das Ende 30 (Fig. 2d) des Fensters zu definieren: durch die Wahl von N mit Hilfe des Zählers 23, durch die Wahl von τ mit Hilfe des Oszillators 22 und durch Benutzung des Beginns des folgenden Ultraschallwellenzuges.For example, initially N = 16 is chosen, which gives us a velocity diagram as shown in Fig. 4b, which fits sufficiently precisely into the measurement window T₀, since 12 channels are allocated to the period T₀ and four channels that would come after are suppressed by the initial pulse of the following ultrasonic wave train, as we saw above. If N = 8 had been chosen, the velocity diagram would have been clipped on the right-hand side and the curve would have been interrupted after the eighth channel, as shown in Fig. 4c, where τ has the same value as in the case of Fig. 4b. On the other hand, if N = 8 and the value of τ' had been chosen to be greater than τ, we would have a diagram as shown in Fig. 4d, where the resolution is less high and two channels are excluded because they come later than the end of Td. Thus, there are three ways to define the end 30 (Fig. 2d) of the window: by choosing N using the counter 23, by choosing τ using the oscillator 22 and by using the beginning of the following ultrasonic wave train.

Die Frequenz f der Ultraschallwellen ist durch die Ausdehnung des zu messenden Geschwindigkeitsprofils, durch die maximale und minimale Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit in den durchquerten Medien, durch die Dämpfung und durch die erforderliche Auflösung bestimmt. Die maximale Zahl Nmax der Messkanäle liegt fest; sie hängt mittelbar mit der Doppler-BeziehungThe frequency f of the ultrasonic waves is determined by the extent of the velocity profile to be measured, by the maximum and minimum sound propagation speed in the media traversed, by the attenuation and by the required resolution. The maximum number Nmax of measuring channels is fixed; it is indirectly related to the Doppler relationship

v = c · fD/2f,v = c · fD/2f,

worinwherein

v = Geschwindigkeit des Fluidsv = velocity of the fluid

c = Schallgeschwindigkeit im Fluidc = speed of sound in the fluid

fD = DopplerfrequenzfD = Doppler frequency

f = benutzte Ultraschallfrequenz,f = used ultrasonic frequency,

und mit der Nyquist-Frequenzbeziehungand with the Nyquist frequency relation

fD ≤ F/2fD ≤ F/2

zusammen, worin F die Folgefrequenz der Ultraschallwellenzüge ist.where F is the repetition frequency of the ultrasonic wave trains.

Es ist vorteilhaft, die Möglichkeit vorzusehen, zwei verschiedene Frequenzen zu benutzen, die je nach den Bedingungen gewählt werden: eine verhältnismässig niedrige Frequenz, die für weite Messprofile zu benutzen ist, und eine höhere Frequenz für engere Messprofile. Dadurch wird ein grosser Spielraum für die Messdistanz und Positionsauflösung ermöglicht. Somit kann das unterste noch feststellbare Geschwindigkeitsniveau bzw. der Schwellenwert der Geschwindigkeit herabgesetzt werden.It is advantageous to provide the possibility of using two different frequencies, selected according to the conditions: a relatively low frequency to be used for wide measurement profiles and a higher frequency for narrower measurement profiles. This allows a large range of measurement distance and position resolution. This makes it possible to reduce the lowest detectable speed level or speed threshold.

Die vom Umformer ausgesendeten Ultraschallwellenzüge können in ihrer Länge und Amplitude entsprechend dem Dämpfungskoeffizienten A des Fluids (siehe oben) und der erforderlichen Genauigkeit und Auflösung in bekannter Weise abgestimmt werden.The length and amplitude of the ultrasonic wave trains emitted by the transducer can be adjusted in a known manner according to the damping coefficient A of the fluid (see above) and the required accuracy and resolution.

Die Zahl der Sinusschwingungen jedes Ultraschallwellenzuges kann abgestimmt werden, wie es zum Beispiel in der folgenden Veröffentlichung beschrieben ist: F. D. McLeod, M. Anliker: A multiple gate pulse Doppler flowmeter: Proc. IEEE Ultrasonics, Miami, 1971.The number of sinusoids of each ultrasonic wave train can be tuned, as described, for example, in the following publication: F. D. McLeod, M. Anliker: A multiple gate pulse Doppler flowmeter: Proc. IEEE Ultrasonics, Miami, 1971.

Die Tatsache, dass man, wie beschrieben, für das aufgefangene Signal, das gemäss der Doppler-Echoaufzeichnung analysiert werden muss, ein Fenster vorsieht, bringt den Vorteil mit sich, dass zwischen dem Umformer und dem Fluid, dessen Geschwindigkeitsprofil man kennen möchte, eine erhebliche Entfernung bestehen kann, dass das Gebiet des Fluids, das der Doppleranalyse unterworfen werden soll, sehr frei gewählt werden kann und dass man bei gleicher Anzahl der Messkanäle eine höhere Auflösung als in der klassischen Miethode erhält.The fact of providing a window for the signal picked up, which must be analyzed according to the Doppler echo recording, as described above, has the advantage that there can be a considerable distance between the transducer and the fluid whose velocity profile is to be known, that the area of the fluid to be subjected to Doppler analysis can be very freely can be selected and that with the same number of measuring channels a higher resolution is obtained than in the classic rental method.

Die Fig. 5 veranschaulicht ein Beispiel, wo die Vorrichtung gemäss Fig. 1 in einem Falle verwendet wird, da man die Geschwindigkeitsverteilung entlang mehrerer paralleler Linien in einer Ebene kennen möchte. Es wird vorausgesetzt, dass es sich um eine Strömung in einem abgewinkelten Teilstück eines Behälters oder einer Leitung handelt. Die verschiedenen Linien 35 stellen die Bahnen verschiedener Punkte der Flüssigkeitsmasse dar. Die Wand des Behälters oder der Leitung ist mit 36 dargestellt, während bei 37 eine Reihe von Umformern wie 4 (Fig. 1) dargestellt ist, die in der gleichen Ebene und mit parallelen, äquidistanten Achsen angeordnet sind. Das durch Doppler-Echoaufzeichnung aufgestellte Geschwindigkeitsdiagramm 38 ist schematisch entsprechend den Achsen der Umformer 37 in der Fig. 6 dargestellt. Die Geschwindigkeiten, um die es sich hier handelt, sind natürlich die Komponenten der wirklichen Geschwindigkeit entlang der akustischen Achse des entsprechenden Umformers.Fig. 5 illustrates an example where the device according to Fig. 1 is used in a case where it is desired to know the velocity distribution along several parallel lines in a plane. It is assumed that it is a flow in an angled section of a container or pipe. The various lines 35 represent the trajectories of various points of the liquid mass. The wall of the container or pipe is represented by 36, while at 37 a series of transducers such as 4 (Fig. 1) are represented, arranged in the same plane and with parallel, equidistant axes. The velocity diagram 38 established by Doppler echo recording is shown schematically according to the axes of the transducers 37 in Fig. 6. The velocities in question are of course the components of the real velocity along the acoustic axis of the corresponding transducer.

Um die Diagramme gemäss Fig. 6 aufzustellen, kann man entweder tatsächlich eine Reihe von Umformern 37 und für deren jeden eine Vorrichtung gemäss Fig. 1 vorsehen oder aber eine Reihe von Umformern 37 und eine einzige Vorrichtung gemäss Fig. 1, die dank eines elektronischen Kommutators nacheinander für die verschiedenen Umformer verwendet wird. Man kann auch, wenn der Faktor der Messzeit nicht von primärer Bedeutung ist, einen einzigen Umformer 37 mit einer elektronischen Vorrichtung gemäss Fig. 1 sowie einer mechanischen Steuerung vorsehen, die diesen Umformer Schritt um Schritt verschiebt, um ihn nacheinander in die verschiedenen, in Fig. 5 für verschiedene Umformer angezeigten Stellungen zu bringen.To produce the diagrams shown in Fig. 6, it is possible to provide either a series of converters 37 and a device as shown in Fig. 1 for each of them, or a series of converters 37 and a single device as shown in Fig. 1, which is used in succession for the various converters thanks to an electronic switch. It is also possible, if the measurement time factor is not of primary importance, to provide a single converter 37 with an electronic device as shown in Fig. 1 and a mechanical control which moves this converter step by step in order to bring it successively into the various positions shown in Fig. 5 for the various converters.

Die Fig. 7 zeigt, wie man mit einer Gruppe von Vorrichtungen gemäss Fig. 1 die vektorielle Geschwindigkeit, d. h. die Geschwindigkeit in ihrem Wert und ihrer Richtung in einer Ebene, feststellen kann. In dieser Figur sieht man bei 39 einen Behälterwinkel ähnlich 36 in Fig. 5. Man sieht bei 40 eine Reihe von parallelen, äquidistanten Umformern ähnlich 37 in Fig. 1 und bei 41 eine weitere Reihe von Umformern, die senkrecht zur Richtung der Umformer 40 ausgerichtet sind. Die durch die Umformer 40 und 41 ausgeführten Messungen gestatten es, für jeden Schnittpunkt der in der Fig. 7 in gestrichelten Linien dar gestellten akustischen Achsen die Geschwindigkeitskomponente entlang jeder dieser Achsen wie auch die Resultierende festzustellen. Der Computer 12 der Fig. 1 gestattet ohne weiteres, diese Komponenten und ihre Resultierende zu berechnen.Fig. 7 shows how to determine the vectorial velocity, ie the velocity in its value and direction in a plane, with a group of devices according to Fig. 1. In this figure, at 39, one can see a container angle similar to 36 in Fig. 5. At 40, one can see a series of parallel, equidistant transducers similar to 37 in Fig. 1 and at 41 another series of transducers aligned perpendicular to the direction of the transducers 40. The The measurements carried out by the transducers 40 and 41 make it possible to determine, for each point of intersection of the acoustic axes shown in dashed lines in Fig. 7, the velocity component along each of these axes as well as the resultant. The computer 12 of Fig. 1 makes it possible to calculate these components and their resultant without difficulty.

Natürlich könnte man in die dritte Dimension verallgemeinern, indem man über jedem der Umformer 40, 41 eine Reihe von äquidistanten Umformern anordnet. Hat man beispielsweise fünf Umformer für jede Richtung, so ergeben sich im dreidimensionalen Falle 5 · 5 · 5 = 125 Umformer. Wie oben erklärt, könnte man durch eine Punktabtastung mit einer geringeren Zahl von Kreisen arbeiten.Of course, one could generalize to the third dimension by arranging a row of equidistant converters above each of the converters 40, 41. For example, if one has five converters for each direction, the result in the three-dimensional case is 5 · 5 · 5 = 125 converters. As explained above, one could work with a smaller number of circles by using point sampling.

Da die Messzeit, die dafür erforderlich ist, das Geschwindigkeitsprofil entlang einer akustischen Achse zu erhalten, im Verhältnis zur Zeitkonstante der Strömungsfluktuationen des Fluids sehr kurz ist (diese Messzeit ist von der Grössenordnung von zehn Millisekunden), kann man nichtstationäre wie stationäre Strömungen gleichermassen gut analysieren.Since the measurement time required to obtain the velocity profile along an acoustic axis is very short in relation to the time constant of the flow fluctuations of the fluid (this measurement time is of the order of ten milliseconds), non-stationary and stationary flows can be analyzed equally well.

Claims (1)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der lokalen Geschwindigkeiten im Inneren eines ausgewählten Gebiets einer in Bewegung befindlichen Fluidmasse (1) mit Festteilchen durch Doppler-Ultraschall-Echoaufzeichnung, die zu dem Typ gehört, der zumindest einen Umformer (4) enthält, der während einer Mehrzahl von Zyklen angeregt wird, um durch dieses Fluidum (1) entlang einer akustischen Achse (3) in aufeinanderfolgenden Zyklen der Periode T periodische Ultraschallwellenzüge (27, 28) auszusenden und das Echo (27a, 28a) der an den benannten Teilchen entlang dieser Achse (3) zurückgeworfenen Wellenzüge aufzufangen, und der weiterhin Mittel aufweist, um die Geschwindigkeit des Fluidums zu messen, sowie zumindest einen Schaltkreis (7 bis 11, 13), um die Kurve der Geschwindigkeiten des durch die Geschwindigkeit der Teilchen hervorgerufenen Dopplereffekts, der für die Geschwindigkeit des Fluidums repräsentativ ist, in Abhängigkeit von der Entfernung entlang dieser Achse (3) auf dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre (14) anzuzeigen, wobei die Vorrichtung einen Generator (6) für ein Messfenster gegebener Lage, Länge und Kanalanzahl enthält, der Verzögerungsmittel (20) aufweist, um die benannte Lage des Fensters festzulegen, und die aus einem Verzögerungskreis (20) bestehen, der so ausgelegt ist, dass in jedem der Zyklen zumindest während einer anfänglichen Zeitdauer T1, die dem Beginn der ansteigenden Partie der Geschwindigkeitskurve vorausgeht, die Signalübergabe vom Umformer (4) zur Bildröhre (14) derart abgeschnitten wird, dass der Beginn des Messfensters durch die benannte anfängliche Zeitdauer T1 bestimmt wird, wobei der Fenstergenerator (6) ausserdem einen Oszillator (22) mit regelbarer Frequenz enthält, um periodisch Schwingungen einer vorbestimmten Dauer τ zu liefern, die der Zeitauflösung eines in dem benannten Fenster enthaltenen Messkanals entspricht, sowie Mittel, um die Frequenz dieses Oszillators (22) einzustellen, wobei die benannten Mittel zur Messung der Fluidgeschwindigkeit so eingerichtet sind, dass die Geschwindigkeit für jeden der im Messfenster enthaltenen Messkanäle bestimmt wird,1. Device for determining the local velocities inside a selected region of a fluid mass (1) in motion containing solid particles by Doppler ultrasonic echo recording, of the type comprising at least one transducer (4) excited during a plurality of cycles to emit periodic ultrasonic wave trains (27, 28) through said fluid (1) along an acoustic axis (3) in successive cycles of period T and to collect the echo (27a, 28a) of the wave trains reflected by said particles along said axis (3), and further comprising means for measuring the velocity of the fluid and at least one circuit (7 to 11, 13) for displaying on the screen of a cathode ray tube (14) the curve of the velocities of the Doppler effect caused by the velocity of the particles, representative of the velocity of the fluid, as a function of the distance along said axis (3), the device comprising a A generator (6) for a measurement window of given position, length and number of channels, which comprises delay means (20) for determining said position of the window, and which consist of a delay circuit (20) designed such that in each of the cycles, at least during an initial time period T1 preceding the beginning of the rising part of the speed curve, the signal transfer from the converter (4) to the picture tube (14) is cut off in such a way that the beginning of the measurement window is determined by said initial time period T1, the window generator (6) further comprising an oscillator (22) with adjustable frequency to periodically deliver oscillations of a predetermined duration τ corresponding to the time resolution of a measurement channel contained in said window, and means for adjusting the frequency of said oscillator (22), said means for measuring the fluid velocity being arranged in such a way that the velocity is determined for each of the measurement channels contained in the measurement window, dadurch gekennzeichnet, dass der Fenstergenerator einen einstellbaren Schwingungszähler (23), der an den Oszillator (22) und den Verzögerungskreis (20) angeschlossen ist, und Mittel umfasst, um diesen Schwingungszähler (23) so einzustellen, dass damit die Zahl N der Messkanäle ausgewählt werden kann, wobei das Ende des Messfensters entweder durch die gewählte Dauer τ eines Kanals, durch die Zahl N der Fensterkanäle oder durch den Anfang des folgenden Ultraschallwellenzugs bestimmt wird, der nach einer Periode T ausgesendet wird, wenn die gesamte Zeitdauer T1 + τ · N länger als die Periode T ist, und wobei der benannte Fenstergenerator (6) einen Eingang (16), der vermittels eines Gebers (5) an den benannten Umformer (4) angeschlossen ist, sowie zumindest einen Ausgang umfasst, der an die benannten Mittel zur Geschwindigkeitsmessung (9 bis 11) angeschlossen ist, wobei der Eingang (16) des Generators mit dem benannten Verzögerungskreis (20) verbunden ist, der seinerseits mit dem Eingang "ON" eines Flipflopgliedes (21) verbunden ist, dessen Ausgang mit einem der Eingänge eines "AND"-Gliedes (25) verbunden ist, dessen Ausgang mit den benannten Mitteln zur Geschwindigkeitsmessung (9 bis 11) verbunden ist, wobei der Ausgang des Oszillators (22) einerseits an den Eingang des einstellbaren Schwingungszählers (23), der vom Ausgang des benannten Verzögerungskreises (20) gesteuert wird, und andererseits an den anderen Eingang des "AND"-Gliedes (25) angeschlossen ist, wobei der Ausgang des Schwingungszählers (23) mit einem der Eingänge eines "OR"-Gliedes (24) verbunden ist, dessen anderer Eingang mit dem Eingang (16) des Fenstergenerators (6) verbunden ist und dessen Ausgang mit dem "OFF"-Eingang des Flipflopgliedes (21) verbunden ist.characterized in that the window generator comprises an adjustable oscillation counter (23) connected to the oscillator (22) and the delay circuit (20) and means for adjusting this oscillation counter (23) so that the number N of measurement channels can be selected, the end of the measurement window being determined either by the selected duration τ of a channel, by the number N of window channels or by the beginning of the following ultrasonic wave train emitted after a period T if the total time duration T1 + τ · N is longer than the period T, and wherein said window generator (6) comprises an input (16) connected to said converter (4) by means of a transmitter (5) and at least one output connected to said means for Speed measurement (9 to 11), the input (16) of the generator being connected to said delay circuit (20), which in turn is connected to the "ON" input of a flip-flop element (21), the output of which is connected to one of the inputs of an "AND" element (25), the output of which is connected to said means for speed measurement (9 to 11), the output of the oscillator (22) being connected on the one hand to the input of the adjustable oscillation counter (23), which is controlled by the output of said delay circuit (20), and on the other hand to the other input of the "AND" element (25), the output of the oscillation counter (23) being connected to one of the inputs of an "OR" element (24), the other input of which is connected to the input (16) of the window generator (6) and the output of which is connected to the "OFF" input of the flip-flop element (21).
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CH200985 1985-05-09

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